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亞得里亞海平臺上對一些最常用的科學(xué)光學(xué)傳感器（輻射計）進(jìn)行了為期 10 天的測試。圖片來源：普利茅斯海洋實(shí)驗室

由普利茅斯海洋實(shí)驗室牽頭的一組海洋光學(xué)專家，利用一個由社區(qū)開發(fā)的處理器，對水上光學(xué)傳感器的準(zhǔn)確性進(jìn)行了評估，以生成最高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，用于衛(wèi)星海洋顏色驗證，并有助于監(jiān)測沿海海域和全球海洋的健康狀況。

這項研究發(fā)表在《光學(xué)快報》雜志上。

從海洋的顏色中，我們可以了解到很多關(guān)于海洋環(huán)境狀況的信息。陽光與水中的不同物質(zhì)相互作用，比如浮游植物、沉積物和溶解的有機(jī)物，這些物質(zhì)會吸收或散射不同波長的光子。

這種吸收和散射會導(dǎo)致 “顏色” 的光譜變化，科學(xué)家們可以通過研究這些變化來確定水中存在的物質(zhì)，而不必進(jìn)行直接的水中測量。

地球觀測科學(xué)家需要確保測量從海洋反射的光的儀器能給出一致的結(jié)果，特別是因為這些儀器被用于驗證衛(wèi)星數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

為了確保環(huán)境測量以及由此產(chǎn)生的處理數(shù)據(jù)具有高質(zhì)量和高水準(zhǔn)，全球許多實(shí)驗室都使用相同的公認(rèn)質(zhì)量管理體系（ISO）來收集數(shù)據(jù)。

光學(xué)和遙感科學(xué)家們通過收集 “基準(zhǔn)參考測量數(shù)據(jù)”，將數(shù)據(jù)質(zhì)量提升到了一個更高的水平�！盎鶞�(zhǔn)參考測量數(shù)據(jù)” 是一種由科學(xué)界和航天機(jī)構(gòu)（如美國國家航空航天局（NASA）、歐洲航天局（ESA）和歐洲氣象衛(wèi)星應(yīng)用組織（EUMETSAT））開發(fā)并采用的標(biāo)準(zhǔn)。

在過去的 25 年里，有許多研究對光學(xué)傳感器的準(zhǔn)確性進(jìn)行了比較，雖然差異在合理范圍內(nèi)，但誤差往往比預(yù)期的要大。

這些研究的一個重要發(fā)現(xiàn)是，數(shù)據(jù)處理方式的不同會導(dǎo)致誤差，這些誤差會掩蓋傳感器的真實(shí)性能，同時也凸顯了對測量結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)的不確定性估計以及采用一致的數(shù)據(jù)處理方法的必要性。此外，還確定了開發(fā)一個社區(qū)范圍內(nèi)的開源社區(qū)處理器的需求。

方法與發(fā)現(xiàn)

來自歐盟和美國的國際海洋光學(xué)專家研究團(tuán)隊，在亞得里亞海對一些在美國和歐洲常用的最受歡迎的科學(xué)光學(xué)傳感器（輻射計）進(jìn)行了為期 10 天的測試，這些傳感器包括 Sea-Bird HyperSAS 和 TriOS-RAMSES。然后，使用開源社區(qū)處理器 HyperCP 對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

該團(tuán)隊使用了兩種不同的方法來處理數(shù)據(jù)并確定相關(guān)的不確定性：

1. 基于傳感器特性的處理：當(dāng)使用每個儀器的獨(dú)特特性時，各系統(tǒng)之間的差異很小；大多數(shù)光學(xué)測量的變化約為 2%，與離水輻射相關(guān)的特定測量的變化為 2.5%。這些測量的誤差或不確定性保持在較低水平，約為 1.5% 至 5%。

2. 基于類別特性的處理：當(dāng)對每個儀器類型（Sea-Bird 或 TriOS）使用通用的校準(zhǔn)特性時，儀器之間的差異明顯更大。

該研究表明，強(qiáng)烈建議使用具有傳感器特定特性的 HyperCP，以減少相關(guān)的不確定性，并為衛(wèi)星海洋顏色驗證生成最高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。以這種方式定制數(shù)據(jù)處理，使整體測量結(jié)果更加精確可靠，適用于環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)一步研究和應(yīng)用。

該研究的第一作者、普利茅斯海洋實(shí)驗室的生物光學(xué)海洋學(xué)家加文・蒂爾斯通博士評論道：“我們很高興能分享這種用于衛(wèi)星海洋顏色驗證的光學(xué)傳感器數(shù)據(jù)處理的變革性方法。在這項研究之前，對于海洋顏色光學(xué)領(lǐng)域使用的一些最常用的輻射計，我們無法給出可靠的不確定性估計。這個社區(qū)處理器的開發(fā)將顯著提高人們對用于海洋顏色研究的數(shù)據(jù)的信心，這對氣候變化和水質(zhì)研究至關(guān)重要�！�

“由于這個社區(qū)處理器是開源的，這意味著各個國家、小型組織和年輕科學(xué)家都可以廣泛使用它。在此之前，他們可能沒有相關(guān)知識、技術(shù)專長和處理能力，無法將光學(xué)數(shù)據(jù)處理到如此高的標(biāo)準(zhǔn)�！�

該研究的共同作者、普利茅斯海洋實(shí)驗室的地球觀測科學(xué)家湯姆・喬丹博士評論道：“這項研究的一個重要方面是，它證明了 HyperCP 計算出的不確定性與不同傳感器在實(shí)地測量的變異性之間的一致性。展望未來，這讓我們更加有信心將多個傳感器和實(shí)地部署結(jié)合起來，為衛(wèi)星海洋顏色驗證提供可靠的參考。”

增強(qiáng)型社區(qū)處理器，許多國家的青年研究人員也通過特定的培訓(xùn)活動學(xué)習(xí)如何使用它。大量的用戶群體和個人已經(jīng)在使用這個

全球數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

為了使數(shù)據(jù)被 NASA、ESA 和 EUMETSAT 等機(jī)構(gòu)接受使用，這些數(shù)據(jù)需要達(dá)到 “基準(zhǔn)參考測量” 的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，這是用于驗證和支持衛(wèi)星海洋顏色任務(wù)的主要輻射數(shù)據(jù)的最高質(zhì)量、公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)。要達(dá)到這個質(zhì)量水平，需要滿足四個標(biāo)準(zhǔn)：

1. 遵循公認(rèn)的衛(wèi)星驗證協(xié)議。

2. 應(yīng)用可溯源的國際單位制（SI）標(biāo)準(zhǔn)。

3. 包含測量的不確定性估計。

4. 所有傳感器都要通過國際實(shí)地比對進(jìn)行評估。

該研究的共同作者、美國國家航空航天局戈達(dá)德太空飛行中心的高級研究科學(xué)家德克・奧林博士總結(jié)了衛(wèi)星海洋顏色處理標(biāo)準(zhǔn)化的歷史，以及這項研究如何推動解決標(biāo)準(zhǔn)化問題：“美國國家航空航天局的衛(wèi)星海洋顏色處理標(biāo)準(zhǔn)化始于 20 世紀(jì) 90 年代的 SeaWiFS 項目，最終開發(fā)出了免費(fèi)分發(fā)的軟件 SeaDAS，如今該軟件適用于大多數(shù)美國和國際海洋顏色任務(wù)�！�

“然而，用于驗證這些軌道任務(wù)的原位輻射測量數(shù)據(jù)處理，在社區(qū)處理器 HyperCP 發(fā)布之前并沒有類似的標(biāo)準(zhǔn)化。HyperCP 源于 2019 年美國國家航空航天局對衛(wèi)星驗證協(xié)議的最新修訂，如今已發(fā)展成為一項國際合作成果，涉及美國和歐洲的航天機(jī)構(gòu)、學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)和私營部門。”

“本文強(qiáng)調(diào)的實(shí)地活動是 HyperCP 首次被用于將不同實(shí)驗室運(yùn)行的不同制造商的多個并置原位輻射測量平臺的不確定性和差異降至最低，這證明了使用便攜式現(xiàn)成的商業(yè)儀器收集實(shí)地輻射測量數(shù)據(jù)的能力，這些數(shù)據(jù)的質(zhì)量足以按照國際海洋顏色協(xié)調(diào)小組（IOCCG）的協(xié)議和基準(zhǔn)參考測量計量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行海洋顏色衛(wèi)星驗證�！�

該研究的共同作者、塔爾圖大學(xué)副教授里霍・文特博士繼續(xù)說道：“常規(guī)的比對測量對于驗證地球觀測數(shù)據(jù)至關(guān)重要。這項最新的比對引入了使用開源 HyperCP 社區(qū)處理器的協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)處理方法，使其與廣泛接受的處理標(biāo)準(zhǔn)保持一致，并進(jìn)行深入的不確定性分析。這是在驗證基于衛(wèi)星的地球觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)品的最高質(zhì)量方面向前邁出的重要一步�！�

下一步是將新的傳感器以及包含不確定性估計的傳感器納入社區(qū)處理器，以繼續(xù)提高人們對海洋顏色衛(wèi)星數(shù)據(jù)的信心。

這項研究是衛(wèi)星海洋顏色基準(zhǔn)參考測量（FRM4SOC）第二階段項目的一部分。HyperCP 的開發(fā)由美國國家航空航天局的 HyperInSPACE 項目和維多利亞大學(xué)的 PySciDON 軟件處理包發(fā)起，目前由來自 NASA、英國國家物理實(shí)驗室（NPL）、美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）、EUMETSAT、普利茅斯海洋實(shí)驗室（PML）等機(jī)構(gòu)的國際專家科學(xué)家團(tuán)隊進(jìn)行。

更多信息：加文蒂爾斯通等人，《使用開源社區(qū)處理器對基準(zhǔn)參考測量進(jìn)行輻射實(shí)地比對》，《光學(xué)快報》（2025 年）。DOI: 10.1364/OE.551042

期刊信息：《光學(xué)快報》

由普利茅斯海洋實(shí)驗室提供

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